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Colegio de Bachilleres del Estado de Michoacán
Dirección General Dirección del Sistema de Enseñanza Abierta
Unidad Puruandiro
Biblioteca Virtual
Material de Estudio para la Asignatura Química II
Unidad II Sistemas Dispersos
Compilación elaborada por:
Jesús Gabriel Zavala Chávez SEA-Puruándiro
Morelia, Mich. Abril de 2005.
Pag.
2 Sistemas dispersos 3
2.1 Mezclas homogéneas y heterogéneas 3
2.1.1 Separación de mezclas 5
2.1.1.1 Decantación 6
2.1.1.2 Filtración 7
2.1.1.3 Destilación simple 7
2.1.1.4 Destilación fraccionada 8
2.1.1.5 Evaporación 8
2.1.1.6 Método de imantación o magnetismo 8
2.2 Suspensiones, disoluciones y coloides 9
2.2.1 Suspensiones 9
2.2.2 Disoluciones 10
2.2.3 Coloides 11
2.2.4 Ósmosis y diálisis 13
2.2.4.1 Disoluciones isotónicas 15
2.2.5 Floculación 16
2.2.6 Superficie de adsorción 17
2.3 Concentración de las disoluciones 17
2.3.1 Solución valorada 18
2.3.2 Soluciones Molares 18
2.3.3 Soluciones porcentuales 22
2.3.4 Soluciones expresadas en partes por millón (ppm) 23
Ejercicios de consolidación 25
Ejercicios de autoevaluación 26
Glosario 28
Bibliografía 38
2 Sistemas dispersos
Un sistema en Química la podemos entender como aquel sistema formado por
dos o más sustancia que interactúan entre si pero que no alteran sus
propiedades intimas que las caracteriza en forma individual, es decir si se tiene
agua con talco, el agua sigue siendo agua y el talco sigue siendo talco aun
cuando estén juntos.
Dichos sistemas que son motivo de estudio en esta unidad, pueden estar
formados por sustancias que al mezclarse ya no se pueda distinguir entre una y
otra, como seria el caso de agua y alcohol, o bien que si se pueda distinguir
como es el caso de revolver agua y aceite.
Otro sistema disperso con el que constantemente convivimos es el aire, que
esta formado de diversos gases como el nitrógeno, oxigeno, hidrógeno, etc,,
pero además contiene polvo, humedad, etc.
Para el estudio de estos sistemas dispersos es necesario saber como están
formados, que tipos de sistemas dispersos son, como podemos llegar a
separar a cada uno de los componentes, etc. lo que estaremos viendo a lo
largo de esta unidad.
2.1 Mezclas homogéneas y heterogéneas
Una sustancia pura puede estar formada de un solo elementos, es decir que todos los
átomos son iguales, pero también puede ser formada de diversos elementos unidos entre
si de manera intima, es decir formando un compuesto químico, es decir puede estar
formado por dos o más átomos diferentes.
“Una sustancia es una forma de materia que tiene una composición constante o definida
y con propiedades distintivas. Algunos ejemplos son el agua, el amoniaco, el azúcar, el
oro y el oxígeno. Las sustancias difieren entre sí en su composición y pueden ser
identificadas por su apariencia, olor, sabor y otras propiedades.
Una mezcla es una combinación de dos o más sustancias en la cual las sustancias
conservan sus propiedades características. Algunos ejemplos familiares son el aire, las
bebidas gaseosas, la leche y el cemento. Las mezclas no tienen una composición
constante, por lo tanto, las muestras de aire tomadas de varias ciudades probablemente
tendrán una composición distinta debido a sus diferencias de altitud, contaminación, etc.
Las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas. Cuando suna cucharada de azúcar
se disuelve en agua, obtenemos una mezcla homogénea, es decir, la composición de la
mezcla es la misma en toda la disolución. Sin embargo, si se juntan arena y virutas de
hierro permanecerán como tales. Este tipo de mezcla se conoce como mezcla
heterogénea debido a que su composición no es uniforme.
Cualquier tipo de mezcla, ya sea homogénea o heterogénea, se puede formar y
separar en sus componentes puros por medios físicos sin cambiar la identidad
de dichos componentes. Así, el azúcar se puede separar de la disolución
acuosa calentando y evaporando la disolución hasta la sequedad. Si se
condensa el vapor de agua liberado, es posible obtener el componente agua.
Para los componentes de la mezcla hierro y arena, podemos utilizar un imán
para separar las virutas de hierro, ya que el imán no atrae a la arena. Después
de la separación, no habrá ocurrido cambio alguno en las propiedades y
composición de los componentes de la mezcla”1.
1 CHANG Raymond, Química, sexta edición, editorial Mac Graw-Hill, México 1999, pags. 10-11
2.1.1 Métodos de Separación de mezclas
De acuerdo a lo que se menciono en el subtema anterior una mezcla es
cuando dos o más sustancias diferentes interactúan entre si sin modificar sus
propiedades particulares, así que podemos encontrar una mezcla de maíz y
trigo, de sal y agua, de arena y aserrín de madera, etc.
Los métodos de separación de los componentes de una mezcla puede ser tan
variada como la misma cantidad de mezclas posibles, de tal forma que si se
encuentra una mezcla de granos de maíz y trigo, podemos utilizar una maya
que tenga los orificios del tamaño suficiente que puedan pasar a través de ellos
el trigo, pero que no pase el maíz ( a este método se le llama tamizado). O
posiblemente se nos ocurra separarlos como se realiza en nuestra casa, es
decir con las manos ir separando el maíz del trigo (a esta forma se le podría
llamar método manual).
En diversas ocasiones los campesinos colocan el grano que cosecharon al sol,
para eliminar el exceso de humedad ( podemos decir que separan los
componentes de la mezcla formada entre agua y el grano), a este método se le
puede llamar evaporación, ya que esperamos a que el sol evapore el agua.
En el laboratorio se utilizan diversos métodos de separación similares a los que
terminamos de mencionar, sin embargo se utiliza para ello equipo y material
propios para un laboratorio, pero los principios de separación son los mismos; a
continuación mencionaremos los métodos más utilizados.
Para poder utilizar estos métodos de separación es necesario utilizar algunas
diferencias entre las sustancias componentes de las mezclas, así por ejemplo,
existen sólidos que se disuelven en agua como la sal o el azúcar, pero también
hay sustancias que no se disuelven en agua como el talco o la cera de abeja.
Hay sustancias que se evaporan a menor temperatura que otras, como por
ejemplo la acetona se evapora si simplemente dejamos destapado el frasco
donde la tenemos, mientras que para evaporar el agua es necesario aumentar
su temperatura a casi 100 °C. Otra diferencia es el peso, hay sustancias que
cuando las agregamos al agua se van al fondo (se precipita) como seria un
clavo o un tornillo, pero también hay sustancias que cuando las agregamos al
agua se quedan en la superficie, como seria el aserrín de madera o el talco.
Hay sustancias que siendo líquidos se disuelven unas en otras como el alcohol
y el agua, mientras que hay otras que no se disuelven, como son el agua y el
aceite de cocina. Estas diferencias entre los componentes de las mezclas son
las que se aprovechan para decidir de que manera se pueden separar.
2.1.1.1 Decantación
“Este método es utilizado para separar un sólido de grano grueso e insoluble,
de un líquido. Consiste en verter el líquido después que se ha sedimentado el
sólido. Este método también se aplica para la separación de dos líquidos no
miscibles y de diferentes densidades, utilizando un embudo de separación.
(Arriba), decantación sólido-líquido.
(Derecha) decantación Líquido-líquido.
Esquema tomados de:
OCAMPO Glafira Ángeles y otros, Fundamentos de
Química I, Publicaciones Cultural, México 2003, pag. 22
2.1.1.2 Filtración
Permite separar un sólido insoluble de un líquido.
Para tal operación se emplea un medio poroso de
filtración o membrana que deja pasar el líquido y
retiene el sólido. Los filtros más comunes son: papel
filtro, fibra de asbesto, algodón, fibra de vegetales,
redes metálicas y tierras especiales”2.
Esquema tomados de:
OCAMPO Glafira Ángeles y otros, Fundamentos de Química I,
Publicaciones Cultural, México 2003, pag. 23
2.1.1.3 Destilación simple
Este método es apropiado para separar dos líquidos miscibles entre si pero que
tiene punto de ebullición diferente, mediante la evaporación de uno de ellos y
luego la condensación
del mismo; para ellos
se utiliza comúnmente
un matraz de
destilación donde se
vierte la mezcla a
separar y se conecta
con un refrigerante o
condensador que enfría
el vapor del líquido
evaporado. El aparato
lleva un termómetro
para regular la
temperatura de ebullición del líquido a separar. Esquema tomado de: BRADY James E. Química básica, Ed. Limusa-Wily, México 2001, pag.
476
2 OCAMPO Glafira Ángeles y otros, Fundamentos de Química I, Publicaciones Cultural, México
2003, pag. 22 y 23
2.1.1.4 Destilación fraccionada
Este método regularmente se utiliza para obtener por separado los diversos
componentes de mezclas formada por diversos líquidos con puntos de
ebullición diferentes, como es el caso del petróleo.
En este método se puede evaporar un determinado componente con una
temperatura dada y luego aumentar la temperatura para obtener un segundo
componente, y así sucesivamente hasta agotar los componentes de la mezcla.
En la industria se han diseñado aparatos especiales como es la torre de
destilación que contiene una gran cantidad de divisiones, de tal manera que en
la superficie la temperatura es muy alta y va descendiendo a medida que se
asciende en las divisiones; mediante este sistema se obtienen al mismo tiempo
una gran cantidad de productos como es el caso de la destilación del petróleo.
2.1.1.5 Evaporación
Es el método comúnmente empleado para separar los componentes de una
mezcla formada por un líquido de punto de ebullición no muy alto y un sólido
cuyo punto de ebullición es regularmente muy dístate al del líquido. Consiste
simplemente en elevar la temperatura de la solución para que el líquido
comience a evaporarse recuperándolo o no.
2.1.1.6 Método de imantación o magnetismo
Se utiliza para separar regularmente metales que pueden ser atraídos por un
imán de otra sustancia. Regularmente este método es empleado en la industria
harinera para extraer tornillos o trozos de metal que pudieron haber caído en el
grano.
2.2 Suspensiones, disoluciones y coloides.
Algunos tipos de mezclas en las que se involucran dos fases, una dispersante
(generalmente es liquido), regularmente se encuentra en mayor cantidad y es
en la que se distribuye la otra fase regularmente sólida a la que se le llama fase
dispersa. Esta clase de mezclas se clasifican en suspensiones, coloides y
soluciones, dependiendo del tamaño de las partículas dispersas que es su
principal característica.
2.2.1 Suspensiones.
“En una suspensión, partículas relativamente grandes de un componente están
distribuidas a través de otras. Se tienen como ejemplos, la arena suspendida
en el agua o el polvo dispersado por el aire, o un precipitado en la reacción de
una mezcla. En todos los casos, los tamaños de las partículas son lo
suficientemente grandes como para poder ser observadas, ya sea a simple
vista o a través del microscopio. Además, si no se les agita en forma continua,
las partículas de una suspensión se asentarán bajo la influencia de la
gravedad, a pesar de que la velocidad a la se asentará dependerá de su
tamaño. La arena gruesa se asentará rápidamente en el agua, pero el fango
fino se asentará a una velocidad considerablemente más lenta.
En el laboratorio, a menudo es necesario separar precipitados en suspensión
de la reacción de una mezcla. Un método es la filtración. Se hace pasar la
mezcla que contiene el material en suspensión a través de un filtro. A veces se
aprovecha la tendencia que tiene una suspensión de asentarse bajo la
influencia de la gravedad, pero el curso del proceso de acelera utilizando una
centrífuga. En una Centrífuga se hace girar rápidamente una mezcla y la fuerza
centrífuga así producida se compacta como una muy poderosa gravedad
artificial que empuja el precipitado al fondo del recipiente.
Las propiedades físicas de las suspensiones, tales como el punto de
congelación o la presión de vapor de la suspensión de un sólido en un líquido,
se ven muy poco afectadas por las partículas en suspensión. Así, el agua
lodosa se congela a 0°C, igual que ocurre con el agua pura. Las partículas en
suspensión son demasiado grande y su número es demasiado pequeño,
comparado con el número de moléculas de agua en la mezcla, para tener algún
efecto medible.
Centrifuga
2.2.2 Disoluciones
Comparadas con las suspensiones, las soluciones se hallan en el extremo
opuesto del “espectro” del tamaño de las partículas. En una solución, todas las
partículas –tanto las del soluto como del disolvente- tienen las dimensiones de
las pequeñas moléculas individuales o iones. Tales partículas se hallan
distribuidas uniformemente entre sí a fin de suministrar una sola fase
homogénea.
Debido al modo íntimo como las partículas de un soluto se distribuyen entre las
del disolvente, las propiedades físicas de una solución difieren en una cierta
cantidad de las del disolvente aislado.
2.2.3 Coloides.
Los coloides, conocidos también como dispersiones coloidales o suspensiones
coloidales, son mezclas que ocupan un lugar intermedio entre las verdaderas soluciones
y las suspensiones. Se tiene como ejemplo a la leche homogeneizada, la que consiste de
muy pequeñas gotas de grasa de mantequilla dispersadas en la fase acuosa, la que
contiene caseína (una proteína) y otros ingredientes. En un coloide, como la leche, las
partículas semejantes al soluto son mayores que las de las partículas flotantes en una
suspensión. Debido a la manera como se comparan los tamaños de las partículas
coloidales con las dimensiones de las partículas del medio en el que están distribuidas
no se utilizaran los termino soluto y disolvente. En su lugar, se hará referencia a la fase
dispersa y al medio dispersante.
Típicamente, las partículas coloidales varían en tamaño de cerca de 1 a 1000
nm. Por lo general, consisten de conjuntos de muchas moléculas o iones, a
pesar de que muchas de las mayores moléculas de los sistemas vivientes,
como las proteínas, se encuentran también en este rango de tamaños. Aun
cuando las partículas son mayores que las de una verdadera solución, son
todavía lo suficientemente pequeñas como para que las constantes colisiones
con el medio que las rodea las mantengan en suspensión durante largos
periodos. Por consiguiente, una de las propiedades* generales de los coloides
es su estabilidad con respecto a su separación bajo la* influencia de la
gravedad. De hecho, algunos coloides pueden parecer estables por tiempo
indefinido. Como ocurre con las suspensiones, el numero relativo de partículas
en una mezcla es pequeño comparado con el numero de partículas del medio
dispersante. Por esta razón, la mayor parte de las propiedades físicas de los
coloide difieren muy poco de las del medio dispersante.
En la tabla siguiente se describen las diversas combinaciones de fases que se unen para
formar dispersiones coloidales. Como se puede ver en los ejemplos mostrados, los
coloides se encuentran en la vida diaria. Se podría también notar que todas las'
combinaciones son posibles, excepto en el caso de un gas disperse en un gas. Puesto que
todos los gases se mezclan uniformemente a un nivel molecular, los gases sólo forman
soluciones con ellos mismos.
Medio dispersante
Fase dispersa
Tipo de coloide Ejemplos
Sólido Sólido Sólido
Sólido Líquido Gas
Sol sólido Emulsión sólida Espuma sólida
Perlas, ópalo Queso, mantequilla Piedra pómez, malvaviscos
Líquido Líquido Líquido
Sólido Líquido Gas
Sol, gel Emulsión Espuma
Almidón en agua, pintura Leche, mayonesa Crema batida, crema de afeitar
Gas Gas
Sólido Líquido
Aerosoles sólidos Aerosoles líquidos
Humo, polvo Nubes, neblina, niebla
Las partículas de un coloide son demasiado pequeñas como para poder ser visibles a
simple vista o con un microscopio ordinario. Sin embargo, influyen sobre la luz visible;
el tamaño de las partículas es exactamente el adecuado para hacer que la luz se disperse
formando grandes ángulos. Cuando la concentración de las partículas es grande, esta
dispersión puede volver opaca a la mezcla: la luz no puede pasar a su través. La leche
constituye un ejemplo. La luz que entra es dispersada por las partículas y absorbida, por
lo que nunca tiene la oportunidad de salir. Cuando aparece menos concentrada, la
concentración coloidal puede parecer nebulosa y, si esta suficientemente diluida, hasta
puede parecer transparente. Por ejemplo, una dispersión coloidal diluida de almidón en
agua puede parecer tan transparente como una solución”3.
3 BRADY James E. Química básica, segunda edición Editorial Limusa-Willey, México 2005, pas. 448-450.
2.2.4 Ósmosis y diálisis
“Coloca un papel filtro para café o un trozo de papel filtro de laboratorio en un
colador de cocina o un embudo que actué como soporte del papel. Si viertes en
el filtro jugo de uva, vino tinto, jugo de arándano u otra solución, todas ellas lo
atraviesan, pero las partículas sólidas no disueltas no pasan a través del filtro.
Se dice que el filtro es permeable al agua y otros disolventes, y a las
soluciones.
La experiencia cotidiana demuestra que ciertos materiales son impermeables. El agua y las soluciones no pasan a través de las paredes metálicas de una
lata de aluminio, o de las paredes de plástico o de vidrio de las botellas y otros
recipientes. Es posible que existan materiales con propiedades intermedias?
Permiten algunos de ellos que los atraviesen las partículas de disolvente pero
retienen al soluto? Son algunos materiales permeables a ciertos solutos pero
no a otros? La respuesta es un enfático ¡si!. Muchas membranas naturales son semipermeables. Las membranas celulares, el revestimiento del sistema
digestivo y las paredes de los vasos sanguíneos son todos semipermeables,
pues permiten que ciertas sustancias pasen libremente pero retienen a otras. Si
la membrana semipermeable solo permite que la atraviesen las moléculas de
disolvente, el proceso se llama osmosis. Si la membrana permite el paso
selectivo de pequeños iones y moléculas junto con el disolvente, pero retiene
las moléculas grandes y las partículas coloidales, el proceso recibe el nombre
de diálisis y se trata de una membrana dializante.
Se puede imaginar las membranas semipermeables como si tuvieran poros muy
pequeños, cuyo tamaño fuera tal que las diminutas moléculas de agua puedan pasar a
través de ellas, pero no las partículas mas grandes, como las moléculas de azúcar y de
proteínas. Si se utiliza una membrana con estas características para separar un
compartimiento que contiene agua pura de otro que contiene una solución de azúcar,
ocurre algo interesante. El volumen del liquido que esta en el compartimiento que
contiene azúcar aumenta, al tiempo que disminuye el volumen en el compartimiento del
agua pura. Esto se debe al proceso que se conoce como osmosis.
Para comprender lo que ocurre durante la osmosis, es precise examinar lo que
esta sucediendo en el nivel molecular. Todas las moléculas que están a ambos
lados de la membrana se mueven al azar y de vez en cuando chocan con la
membrana. Cuando una molécula de agua llega a alcanzar uno de los poros,
puede pasar (difundirse) a través de la membrana hacia el otro compartimiento.
Sin embargo, cuando una molécula de azúcar, mucho mas grande, alcanza un
poro, rebota en la membrana pues no puede atravesarla. Cuantas más
moléculas de azúcar haya en solución (es decir, cuanto más concentrada sea
la solución), mas pequeña es la probabilidad de que una molécula de agua
alcance un poro. En otras palabras, conforme pasa
el tiempo mas moléculas de agua se difunden a
través de la membrana desde el compartimiento que
tiene mas moléculas de agua por unidad de
volumen que desde la dirección e opuesta (ver los
ejemplos en forma de imágenes). Esta difusión neta
del disolvente (agua) a través de una membrana
semipermeable se llama osmosis. Durante la
osmosis, hay siempre un flujo espontáneo neto de
disolvente a través de la | membrana en una dirección desde el compartimiento
que contiene la solución diluida | hacia el que contiene la solución mas
concentrada.
En otro ejemplo, la difusión neta de agua a través de una membrana tendría
lugar de una solución de azúcar al 5% hacia una solución de azúcar al 10%.
Conforme el flujo de agua prosigue hacia el compartimiento con la solución
mas concentrada, el nivel del liquido de este compartimiento se eleva, mientras
que el del otro desciende. La presión se acumula de manera gradual en el
compartimiento donde el nivel del liquido se eleva, y este aumento de presión
hace más difícil el flujo de mas moléculas de agua hacia ese compartimiento.
(Piensa en el funcionamiento de un barómetro) Con el tiempo, la presión se
eleva lo suficiente para impedir que continué el flujo neto de agua hacia ese
compartimiento. Las moléculas de agua, no obstante, no dejan de cruzar la
membrana, sino que las velocidades con las que se difunden en un sentido y
otro a través de la membrana se hacen iguales.
2.2.4.1 Disoluciones isotónicas
En vez de esperar a que el nivel del liquido se eleve y detenga el flujo neto de
agua, se puede aplicar una presión externa al compartimiento que contiene la
solución más concentrada y alcanzar el mismo objetivo. A la cantidad exacta de
presión que se requiere para detener el flujo neto de disolvente, de la solución
diluida hacia la solución mas concentrada se Ie llama presión osmótica. La
magnitud de la presión osmótica depende de la concentración de todas las
partículas disueltas en la solución. Una solución isotónica es la que muestra
la misma presión osmótica que la del fluido que se encuentra en el interior de
una célula viva. Cuando se reemplazan fluidos corporales por vía intravenosa,
es importante que el fluido sea isotónico. Por ejemplo, una solución de NaCI al
0.92% (o 0.16 M), llamada salina fisiológica, y una solución de glucosa al 5.5%
(o 0.31 M) son isotónicas con el fluido del interior de los glóbulos rojos de la
sangre.
Hay soluciones y dispersiones coloidales en el interior del cuerpo de los seres
vivos y en todas partes del entorno. Sin ellas, la vida misma no seria posible”4.
2.2.5 Floculación
Podemos entender como floculación a la acumulación en pequeños grumos o floculos
de las partículas dispersas en un coloide.
“Los sistemas coloidales permanecen como tales siempre que las partículas de
la fase dispersa no se reúnan unas con otras. Si ello ocurre, se dice que el
coloide flocula o coagula.
Esto es precisamente lo que pasa cuando se añade limón a la leche, o se
hierve un huevo. De la coagulación de la leche (coloide) se obtienen la
mantequilla y el queso.
Un coloide subsiste como tal gracias a un equilibrio muy delicado, que no
permite que se junten las pequeñas partículas de la fase dispersa. En algunos
casos ello sucede debido a una repulsión de tipo eléctrico entre ellas; en otras,
gracias a la presencia de sustancias estabilizadoras, llamadas surfactantes o
emulsificantes. El jabón es una de ellas.
La leche, el alimento por excelencia, es un sistema coloidal. Su composición
vana según el mamífero que la produce. A continuación se muestra de manera
aproximada la composición de la leche de vaca, por ser la de consumo mas
común:
87 % Agua Leche 13 % Sólidos 3.5 % Grasa 3.5 % Proteínas
4.9 % Lactosa y otros líquidos
19.5 % Sólidos no grasos
0.8 % Sales minerales
0.3 % Vitaminas y enzimas”5
2.2.6 Superficie de adsorción 4 BURNS Ralph A. Fundamentos de Química, Editorial Pearson Educación, México 1996, pags. 432-433. 5 GARRITZ Ruiz Antonio y Chamizo Guerrero José Antonio, Tú y la Química, Editorial Pearson Educación, México 2001, pags. 110-111.
Las superficies de absorción también llamadas membranas, son aquellas que
dividen un determinado sistema de otro cuando están aparentemente en
contacto, así encontramos membranas que se pueden formar de manera
natural como son las que en ocasiones llamamos matas.
Las membranas se clasifican de acuerdo a lo que permiten pasar a través de
ellas, así encontramos:
Membranas impermeables: que no permiten pasar nada a través de
ellas, es decir prácticamente son barreras.
Membranas semipermeables: que permiten pasar solo algunas
sustancias a través de ellas, los filtros los podríamos considerar como
membranas de este tipo.
Membranas permeables: que permiten el paso libre de sustancias a
través de ellas.
2.3 Concentración de las disoluciones
Para poder entendernos al referirnos a las concentraciones de las soluciones, es
necesario que quede claro que la fase dispersante, es decir la parte en la que se
distribuye la sustancia disuelta se le llama solvente y la parte dispersa o se la que esta
distribuida en forma uniforme en el solvente se llama soluto.
Así entonces si le agregamos una mínima cantidad de soluto a una cantidad de
solvente se forma una solución diluida, es decir la parte dispersa es muy poca
en proporción al solvente, ejemplo: si a un tanque de 200 litros de agua le
agregamos 10 gramos de azúcar, está es tan poca que no sabría dulce.
Ahora si a un litro de agua le agregamos azúcar poco a poco y le estamos
agitando para que se disuelva, continuando agregando azúcar, hasta que
llegue el momento en que ya no se disuelve más, en ese momento la solución
esta saturada, es decir se le ha disuelto la cantidad máxima posible de azúcar.
Si ha esta solución le seguimos agregando aun más azúcar, veremos que ya
no se disuelve y comienza a asentarse, a partir de este momento estamos
haciendo una solución sobresaturada.
2.3.1 Solución valorada
Cuando realizamos una solución y sabemos las proporciones de solvente y
soluto de manera exacta, entonces es cuando decimos que tenemos una
solución valorada. La determinación de la concentración de las soluciones
permiten realizar las reacciones químicas y demás experimentos en el
laboratorio de manera correcta, ya que sabremos que cantidad de los diversos
reactivos e están empleando. De igual manera podemos preparar soluciones
ya valoradas, es decir con las concentraciones deseadas, para que sean
utilizadas en el laboratorio.
2.3.2 Soluciones Molares
Para poder entender la concentración de una solución molar, primero debe
quedar claro el concepto de Mol.
Mol: es la masa molecular de una sustancia expresada en gramos
Así por ejemplo podemos calcular a que equivale un mol de NaCl
Na tiene la masa atómica 23
Cl tiene la masa atómica 35
La masa molecular del NaCl es 58
Entonces un mol de NaCl es 58 gramos.
Otro ejemplo seria: a que equivale un mol de Al3SO4:
Al tiene la masa atómica 27 pero la multiplicamos por 3 porque la
formula tiene 3 aluminios, entonces la masa del Al en la formula es 81
S tiene masa atómica 32
O tiene masa atómica 16 pero la multiplicamos por 4 por que son
4 oxígenos en la formula, por lo tanto la masa del oxigeno en la formula es
64
Por lo tanto la masa del Al3SO4 es 177, por lo tanto un mol de Al3SO4
equivale a 177 gramos.
Si deseamos preparar una solución que tenga un mol de una sustancia disuelta
se la agrega un mol por cada litro (1000 mL) de solvente.
El
Pa
reg
Re
Si
sig
Sie
es
Ah
qu
Un litro de solución 1 Molar se forma disolviendo un mol de soluto en un litro desolvente.
símbolo que representa a una concentración molar es “M”.
ra el calculo de concentraciones molares se pueden realizar mediante la
la de tres.
cordemos como se hace:
se desea calcular cuanto es el 22 % de 5400, podemos ordenarlo de la
uiente manera:
5400 es a 100 %
X es a 22 %
mpre se debe colocar de tal manera que si hablamos de porcentajes deben
tar del mismo lado y si hablamos de manzanas del mismo lado estas, etc.
ora se multiplica cruzando 5400 por 22 y el resultado se divide por 100, lo
e nos dará el resultado final que seria 1188.
Si deseamos preparar 1000 mL de solución 1 M de NaOH, entonces
calculamos primero la masa molecular:
Na 23
O 16 entonces necesitamos 40 gramos de NaOH
H 1
= 40
Pero si necesitamos preparar 1000 mL de solución 0.25 M, entonces:
40 g es a 1 M
X es a 0.25 M
Entonces la cantidad de NaOH seria (40 g X 0.25 M) / 1 M.
Entonces el resultado seria 10 g.
Ahora planteemos un problema para preparar una solución a partir de otra
solución de mayor concentración:
¿Si tuviéramos una solución con una concentración 2 M, que cantidad de dicha
solución se requiere para preparar 1000 mL 0.4 M?
Podemos partir del hecho de que cada 1000 mL contiene una concentración de
2 moles, ya que cada mol en un 1000 mL equivale a una concentración 1 M, de
tal manera que podamos saber que cantidad de solución es necesaria para
tener 0.4 moles que son los que requerimos para preparar la solución con la
concentración deseada y por diferencia sabremos cuanto solvente hace falta.
2 moles es a 1000 mL
0.4 moles es a X
Cantidad de solución es: (0.4 moles X 1000 mL)/2 moles
Lo cual nos da como resultado: 200 mL
Ya una vez obtenido este resultado sabemos que solo tendremos que agregar
800 mL para obtener el volumen requerido en el problema, con una
concentración de 0.4 M.
Si en otro problema similar se nos plantea el siguiente problema:
¿Que Volumen de solución 1.5 M es necesaria para que a partir de esta se
prepare 350 mL de solución 0.5 M?
Nuevamente nos podemos plantear que cada 1000 mL de la solución inicial
contiene 1.5 moles de soluto, por lo que necesitamos saber que volumen de
esta necesitamos para obtener los 0.5 moles pero para preparar 1000 mL,
finalmente tendremos que calcular el volumen que requerimos para preparar
solo los 350 mL que nos solicitan:
1.5 moles es a 1000 mL
0.5 moles es a X
(0.5 moles X 1000 mL)/1.5 moles lo cual me da como resultado:
La cantidad necesaria para prepara 1000 mL 0.5 M es: 333.33 mL pero para
1000 mL. Entonces:
333.33 mL es a 1000 mL
X es a 350 mL
La anterior regla de tres no dará la solución final:
( 333.33 mL X 350 mL )/ 1000 mL = 116.66 mL, y para preparar la solución se
completara con el solvente hasta obtener los 350 mL que se deben preparar.
A manera de ejercicios resuelve los problemas que se presentan al final de la
unidad.
2.3.3 Soluciones porcentuales
Las soluciones porcentuales implican las proporciones porcentuales entre
soluto y solvente, así una solución al 50 % tendrá partes iguales de soluto y
solvente, mientras que una solución al 15 % tendrá el 15 % de soluto y el 85 %
de solvente y de igual manera podemos decir que por ejemplo el alcohol del 96
tiene el 96 % de alcohol y el 4 % de agua.
Tipo de soluciones porcentuales:
• Sólido – sólido: como es el caso de las aleaciones, mezclas entre
metal y metal (solución S / S).
• Sólido - líquido: como es la preparada con sal de cocina disuelta en
agua (S / L).
• Sólido – gas: como el caso del aire que contiene partículas de polvo
(S/G).
• Líquido – líquido: como es el caso del alcohol que contiene agua o de
igual manera podremos mencionar los vinos ( L / L ).
• Líquido – gas: como es el caso de los refrescos gaseosos que todos
consumimos y que llamamos soda ( L / G ).
• Gas – gas: como es el caso del aire, ya que esta formado por
Nitrógeno, hidrógenos, oxígenos y otros gases. ( G / G )
Ejemplo: para preparar 500 mL al 25 % de una solución de NaCl en agua (S /
L) se requieren 25 g de NaCl por cada 100 mL, es decir para prepara 500 mL al
25 % se requieren 125 g.
Para que quede más claro se te sugiere resolver los ejercicios planteados al
final de esta unidad.
2.3.4 Soluciones expresadas en partes por millón (ppm)
Cuando la cantidad de soluto es muy reducida con relación al solvente y siendo
tan poca que nos podría difícil de representarse en soluciones porcentuales o
molares, debido a que la fracción seria muy insignificativa, por ejemplo:
0.00004 M, lo que implica 4 cienmilésimas partes de un mol, para cada litro de
solvente.
En este caso se utiliza la representación de solución en partes por millón
(ppm).
Con lo anterior se representa las millonésimas partes de soluto disueltas por
unidad de solvente, así por ejemplo si tenemos 1 000 litros, significa que
equivalen a 1 000 000 mililitros, así que 1 ppm en este volumen seria 1 ml.
Para entendernos un poco más podríamos mencionar que 1 000 L de una
solución a 5 ppm, contiene 5 mL de soluto y el resto es el solvente.
¿Pero para que nos sirve en la práctica saber la cantidad de soluto tan
pequeño que puede tener una solución en ppm?
Existen contaminantes tan tóxicos que en cantidades sumamente pequeñas
pueden ser muy nocivas para nuestra salud, como es el caso del cianuro, el
plomo, algunos derivados del azufre, etc. de tal forma que las normas
ambientales de la Secretaria del Medio Ambiente tiene permitido la existencia
de las concentraciones de estos tóxicos en ppm, para que no rebase la
proporción que podemos tolerar sin que nos cauce daño.
De esta manera se controla la emisión de gases y partículas toxicas de las
fabricas y demás empresas, para exigirles que controlen la cantidad de estas
sustancias al mínimo posible.
A manera de ejemplo calculemos la cantidad en peso de SH2 se encuentra en
1 Tonelada de aire si se calcula que se encuentra con una concentración de 6
ppm.
Sabemos que cada tonelada equivale a 1 000 Kg, y cada cada Kg
equivale a
1 000 g, entonces una tonelada equivale a 1, 000, 000 gramos, por lo tanto 6
ppm de una tonelada equivalen a 6 gramos del SH2.
Actividades de consolidación
Clasifica la siguiente lista de mezclas entre homogéneas y heterogéneas, y
menciona por qué clasificaste de esta manera a cada una:
Mezcla Clasificación Razón de la clasificación
Refresco
Aceite de cocina
y agua
Agua de mar
Mayonesa
Arena en agua
¿Explica brevemente como separarías a cada uno los componentes de una
mezcla formada por agua, sal de cocina, aserrín de madera, limaduras de hierro y
arena?
Escribe un ejemplo de cada uno de los productos que encuentres en tu casa de y
que quepan en la clasificación como: Solución, Emulsión y Suspensión.
¿A un paciente con problemas muy serios del riñón, por que crees que se le aplican diálisis? ¿Y en que le beneficia esto? (si es necesario consulta una fuente bibliográfica, al Internet o pregúntale a un medico)
Ejercicios de autoevaluación
¿Qué diferencias existen entre una solución, una emulsión y una suspensión?
Describe brevemente a un coloide.
Describe los conceptos de ósmosis y diálisis.
¿Qué diferencias existen entre una membrana permeable, una semipermeable y
una impermeable?
Resuelve los siguientes problemas:
1 ¿Qué concentración molar tiene una solución que ha sido preparada
con 15 gramos de H2SO4 en 1500 mL de agua?
2 ¿Que cantidad de solución que se encuentra a una concentración 3
M se requiere para preparar 500 mL 0.5 M?
3 ¿Qué cantidad de NH4Cl se necesita para preparar 750 mL de
solución 0.3 M?
4 ¿Qué cantidad de NaCl se requiere para prepara 1200 mL de
solución 1.2 M?
5 ¿Qué cantidad en gramos de NaF contienen 400 mL de solución 1
M?
6 ¿Qué cantidad de azúcar en peso se necesita para preparar 3 litros
de solución al 5 %?
7 ¿Qué cantidad de NaCl en gramos se encuentra en 500 mL de
solución al 10 %?
8 ¿Qué cantidad de alcohol en mL contiene 1500 mL de una solución
que fue adquirida en la farmacia y que en su etiqueta se especifica
que se encuentra al 70 %?
9 ¿Qué cantidad de Pb en gramos se encuentra en el ambiente, si se
hace el calculo en 100 litros de aire, si la Secretaria del Medio
Ambiente ha reportado que se calculó 4.5 ppm?
10 ¿Qué cantidad de un metal tóxico es necesario que exista por cada
tonelada de aire del ambiente para causar daño a nuestro organismo,
si se calcula que lo máximo permitido para que no sea tóxico es de
12 ppm?
11 ¿Qué concentración molar de CO tendría el aire si se calculara que
se encuentra con una concentración de 250 ppm?
Glosario
Densidad: La masa de una sustancia dividida entre su volumen.
Destilación fraccionada: Procedimiento de separación de los componentes líquidos de una disolución que se basa en sus diferentes puntos de ebullición.
Dilución: Procedimiento para preparar una disolución menos concentrada a partir de otra más concentrada. Disolución: Mezcla homogénea de dos o más sustancias. Disolución acuosa: Disolución en la que el disolvente es agua. Disolución no saturada: Disolución que contiene menos soluto del que puede disolver. Disolución saturada: Disolución que contiene la máxima cantidad de soluto que puede disolver. Disolución sobresaturada: Disolución que contiene más soluto de la cantidad que puede disolver. Disolvente: Sustancia presente en mayor cantidad en una disolución. Mezcla: Combinación de dos o más sustancias en las que cada una conserva su identidad. Mezcla heterogénea: Los componentes individuales de una mezcla permanecen físicamente separados y se pueden apreciar como tales. Mezcla homogénea: La composición de la mezcla, después de suficiente agitación, es la misma en toda la solución. Miscible: Se dice que dos líquidos, completamente solubles entre sí en todas proporciones, son miscibles. Mol: Cantidad de sustancia que contiene tantas entidades elementales (átomos, moléculas u otras partículas) como átomos hay exactamente en 12 gramos (o 0.012 kilogramos) del isótopo de carbono-12. Peso molecular expresado en gramos. Molaridad: Número de moles de soluto en un litro de disolución. Número de masa: Número total de neutrones y protones presentes en el núcleo de un átomo.
Ósmosis: Movimiento neto de las moléculas de un disolvente a través de una membrana semipermeable. Estas moléculas provienen del disolvente puro o de una disolución diluida hacia una disolución más concentrada. Punto de ebullición: temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido iguala la presión atmosférica externa. Solubilidad: Máxima cantidad de soluto que se puede disolver en una determinada cantidad de disolvente a una temperatura específica. Solubilidad molar: Número de moles de soluto en un litro de disolución. Soluto: Sustancia presente en menor cantidad en una disolución.
Bibliografía
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BURNS Ralph A. Fundamentos de Química, Editorial Pearson Educación, México 1996
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1999
GARRITZ Ruiz Antonio y Chamizo Guerrero José Antonio, Tú y la Química, Editorial Pearson Educación, México 2001
OCAMPO Glafira Ángeles y otros, Fundamentos de Química I, Publicaciones Cultural, México 2003
